A maioria das dificuldades encontradas em sistemas de aquecimento elétrico pode ser resolvida com rapidez quando se determina corretamente a quantidade de calor necessária para executar o processo. Para isso, o calor requerido deve ser convertido em potência elétrica (kW/h), permitindo escolher o aquecedor mais apropriado. Tanto para aquecer sólidos, líquidos ou gases, a lógica de cálculo permanece praticamente a mesma.
Todos os projetos de aquecimento envolvem as seguintes etapas:
Definição do Problema de Aquecimento:
• Coletar todas as informações relevantes da aplicação.
• Produzir um croqui ou esquema para facilitar a visualização da situação.
Cálculo das Exigências de Potência
(Conforme “Cálculo Básico para Avaliar Energia de Potência”)
• Potência necessária para aquecimento inicial (start-up).
• Potência necessária para manter o processo na temperatura desejada.
• Perdas térmicas pelas paredes, superfícies e estrutura do equipamento.
Revisão dos Fatores Operacionais
• Vazão máxima do material a ser aquecido.
• Tipo e eficiência do isolamento térmico.
• Massa e dimensões dos materiais.
• Tempo exigido para o aquecimento inicial e para os ciclos posteriores.
• Temperatura ideal de operação.
• Eficiência do sistema.
• Limites seguros de densidade de watts.
• Aspectos mecânicos (dilatação, dimensões, espaço).
• Condições ambientais.
• Vida útil esperada do aquecedor.
• Características elétricas da instalação.
• Parâmetros de segurança.
Seleção do Aquecedor
• Definir o tipo adequado.
• Escolher o tamanho correto.
• Determinar a quantidade necessária.
Seleção do Sistema de Controle
• Tipo e posicionamento do sensor de temperatura.
• Modelos de controladores de temperatura.
• Tipos de controladores de potência.
O problema de aquecimento deve ser estabelecido com total clareza, principalmente na definição das condições operacionais.
Ao projetar um sistema térmico, nem sempre é possível prever todas as variáveis, por isso o uso de um fator de segurança é indispensável. Ele amplia a capacidade do aquecedor além do valor estritamente calculado, evitando falhas por imprevistos. Após esta definição inicial, prossegue-se para o cálculo da potência necessária.
Determinação da Energia Térmica
A energia térmica (Q) é o calor.
Em qualquer processo de aquecimento, o objetivo é elevar ou manter a temperatura de um sólido, líquido ou gás em níveis adequados. De modo geral, as aplicações dividem-se em dois grupos:
• Processos com temperatura constante.
• Processos com temperatura variável.
Os princípios de cálculo são semelhantes para ambos.
Aplicações com Temperatura Constante
Nestes casos, a temperatura do material é mantida em um valor fixo, o que simplifica bastante os cálculos, pois há poucas alterações operacionais. Exemplos típicos incluem sistemas de conforto térmico e proteção contra congelamento de tubulações.
Aplicações com Temperaturas Variáveis
Aqui, o processo inclui o aquecimento inicial e diversas variáveis operacionais. O cálculo total da energia necessária envolve a soma de todas essas variáveis, tornando o processo mais complexo que o caso de temperatura constante. Entre os fatores considerados estão:
• Energia Total Absorvida
Inclui a energia para aquecer o material, calor latente (fusão ou vaporização) e aquecimento de recipientes, suportes e demais componentes.
• Energia Total Perdida
Envolve perdas por condução, convecção, radiação, ventilação e vaporização durante start-up e operação.
• Fator de Segurança
Reserva adicional para compensar imprevistos ou variáveis não consideradas.
Procedimento de Aplicação
A seleção do aquecedor depende do maior valor entre duas exigências de potência:
• Potência necessária para o aquecimento inicial em um tempo definido.
• Potência necessária para manter a temperatura durante toda a operação.
Normalmente, a potência usada no start-up difere da potência usada na fase contínua do processo. Por isso, ambas as condições devem ser analisadas antes da escolha do equipamento.
Cálculo da Energia de Aquecimento Necessária
O primeiro passo é determinar a energia absorvida.
Se houver mudança de estado no processo (fusão, vaporização etc.), o calor latente deve ser incluído nos cálculos. Isso vale tanto para o start-up quanto para a manutenção.
No Início do Processo (Start-up)
• Calor absorvido pelo produto e pelos materiais envolvidos (tanques, tambores, suportes).
• Calor latente (fusão ou vaporização).
• Tempo para atingir a temperatura desejada.
Durante o Processo
• Calor absorvido continuamente pelo produto, pelo equipamento de transporte e pela reposição de material.
• Calor latente quando aplicável.
• Tempo ou ciclo do processo.
Determinação das Perdas de Calor
Materiais expostos ao ambiente perdem calor por radiação, condução e convecção; líquidos também perdem energia por evaporação.
Essas perdas devem ser estimadas e adicionadas ao cálculo total.
• Perdas no Start-up
Inicialmente baixas, pois o equipamento ainda está à temperatura ambiente. Crescem gradualmente até a temperatura operacional. Usa-se a média entre valores inicial e final.
• Perdas na Operação
Aqui as perdas atingem seu máximo e devem ser somadas à potência exigida do sistema.
Estimativas de Perdas Térmicas
Gráficos e tabelas permitem calcular perdas por radiação, condução e convecção em diferentes superfícies, expressas em kcal/m.
Fator de Segurança
O fator de segurança compensa todas as variáveis que não podem ser totalmente previstas, como:
• Alterações de temperatura ambiente.
• Flutuações de tensão.
• Abertura de portas.
• Mudanças na temperatura do material.
• Influência de elementos externos.
Sistemas pequenos e estáveis exigem fatores de segurança menores; sistemas grandes e complexos exigem valores maiores.
Diretrizes gerais quanto ao fator de segurança:
• Sistemas pequenos: 10%
• Nível médio: 20%
• Sistemas grandes: 20% a 35%
Este fator deve ser acrescentado ao cálculo final da potência requerida.
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